JP3556475B2 - 高周波用磁器組成物および高周波用磁器の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子収納用パッケージや多層配線基板等に適用される配線基板に関するものであり、特に、銅や銀と同時焼成が可能であり、また、ＧａＡｓ等のチップ部品やプリント基板などの有機樹脂からなる外部回路基板に対し、高い信頼性をもって実装可能であり、配線基板における絶縁基板として用いられる高周波用磁器組成物および高周波用磁器の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来より、セラミック多層配線基板としては、アルミナ質焼結体からなる絶縁基板の表面または内部にタングステンやモリブデンなどの高融点金属からなる配線層が形成されたものが最も普及している。
【０００３】
また、最近に至り、高度情報化時代を迎え、使用される周波数帯域はますます高周波化に移行しつつある。このような、高周波の信号の伝送を必要とする高周波配線基板においては、高周波信号を損失なく伝送する上で、配線層を形成する導体の抵抗が小さいこと、また絶縁基板の高周波領域での誘電損失が小さいことが要求される。
【０００４】
ところが、従来のタングステン（Ｗ）や、モリブデン（Ｍｏ）などの高融点金属は導体抵抗が大きく、信号の伝搬速度が遅く、また、１ＧＨｚ以上の高周波領域の信号伝搬も困難であることから、Ｗ、Ｍｏなどの金属に代えて銅、銀、金などの低抵抗金属を使用することが必要となっている。
【０００５】
このような低抵抗金属からなる配線層は、融点が低く、アルミナと同時焼成することが不可能であるため、最近では、ガラス、またはガラスとセラミックスとの複合材料からなる、いわゆるガラスセラミックスを絶縁基板として用いた配線基板が開発されつつある。例えば、特公平４−１２６３９号のように、ガラスにＳｉＯ２ 系フィラーを添加し、銅、銀、金などの低抵抗金属からなる配線層と９００〜１０００℃の温度で同時焼成した多層配線基板や、特開昭６０−２４０１３５号のように、ホウケイ酸亜鉛系ガラスに、Ａｌ２ Ｏ３ 、ジルコニア、ムライトなどのフィラーを添加したものを低抵抗金属と同時焼成したものなどが提案されている。その他、特開平５−２９８９１９号には、ムライトやコージェライトを結晶相として析出させたガラスセラミック材料も提案されている。
【０００６】
また、多層配線基板や半導体素子収納用パッケージなどの配線基板にＧａＡｓなどのチップ部品を実装したり、また配線基板をマサーボードなどの有機樹脂を含むプリント基板に実装する上で、絶縁基板とチップ部品あるいはプリント基板との熱膨張差に起因して発生する応力により実装部分が剥離したり、クラックなどが発生するのを防止する観点から、絶縁基板の熱膨張係数がチップ部品やプリント基板のそれと近似していることが望まれる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のガラスセラミックスは、銅、銀、金などの低抵抗金属との同時焼成が可能であっても、熱膨張係数が３〜５ｐｐｍ／℃程度と低く、ＧａＡｓ等のチップ部品（熱膨張係数６〜７．５ｐｐｍ／℃）を実装したり、プリント基板（熱膨張係数１２〜１５ｐｐｍ／℃）に実装する場合に、実装の信頼性が低く実用上満足できるものではなかった。
【０００８】
また、従来のガラスセラミックスは、マイクロ波やミリ波などの高周波信号を用いる配線基板の絶縁基板として具体的に検討されておらず、そのほとんどが誘電損失が高く、十分満足できる高周波特性を有するものではなかった。
【０００９】
さらに、従来のガラスセラミックスの強度は、せいぜい１８０ＭＰａ程度で機械的な強度が低いという問題があり、高周波特性と高強度とを同時に満足するものはなかった。
【００１０】
従って、本発明は、金、銀、銅を配線導体として多層化が可能な８００〜１０００℃での焼成が可能であるとともに、ＧａＡｓ等のチップ部品やプリント基板の熱膨張係数と近似した熱膨張係数を有し、高周波領域においても低誘電率を維持しつつ誘電損失が低く、かつ高い強度を有する磁器を作製可能な高周波用磁器組成物および高周波用磁器の製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を鋭意検討した結果、ＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯおよびＢ２ Ｏ３ を含むスピネル型酸化物結晶相を析出可能なガラス粉末に対して、ＳｒＯとＳｉＯ２ との複合酸化物、ＣａＯとＺｒＯ２ との複合酸化物、さらにはＳｉＯ２ を特定の比率で配合した組成物を用い、これを成形後、８００〜１０００℃の温度で焼成することによって、低誘電率を維持しつつ、ＧａＡｓ等のチップ部品やプリント基板の熱膨張係数と近似した熱膨張係数を有し、高周波領域においても低誘電損失で、かつ高い強度を有する磁器が得られることを知見し、本発明に至った。
【００１２】
即ち、本発明の高周波用磁器組成物は、ＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯおよびＢ２ Ｏ３ を含むスピネル型酸化物結晶相を析出可能なガラス粉末５０〜９５重量％と、ＳｒＯとＳｉＯ２ との複合酸化物０．１〜５０重量％と、ＣａＯとＺｒＯ２ との複合酸化物０．１〜１５重量％と、ＳｉＯ２ ０〜４０重量％とからなることを特徴とするものである。
【００１３】
また、前記ガラス粉末は、ＳｉＯ２ ４０〜５２重量％、Ａｌ２ Ｏ３ １４〜３２重量％、ＭｇＯ５〜２４重量％、ＺｎＯ１〜１６重量％、Ｂ２ Ｏ３ ５〜１５重量％の割合であることが望ましい。
【００１４】
また、上記高周波用磁器組成物を成形し、８００〜１０００℃で焼成して得られる磁器としては、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、ＺｎおよびＳｒ構成元素として含むとともに、結晶相として、ＳｉＯ２ 結晶相と、少なくともＭｇ、Ａｌを含むスピネル型酸化物結晶相と、少なくともＳｒ、Ｃａ、ＡｌおよびＳｉを含む複合酸化物結晶相とを含有し、かつ室温から４００℃における熱膨張係数が５．５ｐｐｍ／℃以上、誘電率が７以下、２０〜３０ＧＨｚでの誘電損失が５０×１０−４以下であることを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の高周波用磁器組成物は、ＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯおよびＢ２ Ｏ３ を含むスピネル型酸化物結晶相を析出可能なガラス粉末５０〜９５重量％と、ＳｒＯとＳｉＯ２ との複合酸化物０．１〜５０重量％と、ＣａＯとＺｒＯ２ との複合酸化物０．１〜１５重量％と、ＳｉＯ２ ０〜４０重量％とからなるものである。
【００１６】
各成分組成を上記の範囲に限定したのは、上記ガラス粉末が５０重量％よりも少ないと、１０００℃以下の温度での焼成が不可能であり、９５重量％よりも多いと、焼成温度でガラスが溶融してしまい、焼結体を作製することができなくなるためである。ガラス粉末の特に望ましい範囲は、６０〜８５重量％である。
【００１７】
ここで、前記ガラス粉末は、スピネル型酸化物結晶相を析出可能であり、また、ガラスの軟化点が５００〜８００℃であることが望ましく、その組成はＳｉＯ２ ４０〜５２重量％、Ａｌ２ Ｏ３ １４〜３２重量％、ＭｇＯ５〜２４重量％、ＺｎＯ１〜１６重量％、Ｂ２ Ｏ３ ５〜１５重量％の割合であることが望ましい。上記組成のガラス粉末よりスピネル型酸化物結晶相を析出させることにより、磁器の低誘電率化、高熱膨張率化を図ることができる。
【００１８】
また、かかるスピネル型酸化物結晶相の析出による効果を発揮させる上では、ガラス中におけるＺｎＯ＋ＭｇＯが６〜３０重量％であることが望ましい。なお、かかるガラスから析出するスピネル型酸化物結晶相は、ＭｇＡｌ２ Ｏ４ やＺｎＡｌ２ Ｏ４ および両者が固溶した（Ｚｎ，Ｍｇ）Ａｌ２ Ｏ４ からなる。
【００１９】
ガラス粉末に対して、フィラー成分として添加するＳｒＯとＳｉＯ２ は、ＳｒＳｉＯ３ の形態の複合酸化物として添加することが最も望ましく、このＳｒＯおよびＳｉＯ２ の添加により、かかる系の焼結性を大幅に向上させることができ、低温焼成化とともに、焼結体中のボイドの低減を図ることができる。
【００２０】
このため、本発明の磁器組成物を焼成した磁器を蓋体により気密に封止されるパッケージ構造を有する配線基板の絶縁基板として用いる場合、Ｈｅガスによる気密性評価の際に、磁器中へのＨｅガスの吸着がないため、評価の感度が向上する。
【００２１】
また、一般に、Ａｌ２ Ｏ３ やＳｉＯ２ を含むガラス相の熱膨張係数は４〜５ｐｐｍ／℃と低い。しかし、ＳｒＯ、ＣａＯとガラス中のＡｌ２ Ｏ３ やＳｉＯ２ との反応を進行させて、スラウソナイト等の複合酸化物を析出させると、このスラウソナイトが約７ｐｐｍ／℃の高熱膨張特性を有することから、磁器全体の熱膨張係数をＳｒＯを添加しない場合に比較して０．５〜２ｐｐｍ／℃程度高めることができる。なお、フィラー中の残余のＳｉＯ２ （熱膨張係数１３〜２０ｐｐｍ／℃）も磁器中クォーツとして析出し、熱膨張係数を高くする役割をなす。
【００２２】
従って、ＳｒＯおよびＳｉＯ２ の添加量が０．１重量％よりも少ないと、焼結性の向上効果およびボイドの低減効果が小さく、また、Ｓｒ、Ａｌ、Ｓｉ含有複合酸化物結晶が生成されず、５０重量％よりも多いとガラスに対するＳｉＯ２ （クォーツ）の比率が過剰となるため、焼結性が阻害される。ＳｒＯとＳｉＯ２ の望ましい範囲は、ＳｒＳｉＯ３ 換算で５〜２５重量％である。
【００２３】
また、ガラス粉末に対して、フィラー成分として添加するＣａＯとＺｒＯ２ は、ＣａＺｒＯ３ の形態の複合酸化物として添加することが最も望ましく、このＣａＯおよびＺｒＯ２ の添加により、磁器中に微粒のＺｒＯ２ 粒子を均一に析出、分散させることができ、その結果、磁器の強度を大幅に向上させることができる。また、ＣａＯとＺｒＯ２ との複合酸化物の添加量が０．１重量％より少ないと、強度向上の効果が発揮されず、また、ＣａＯとＺｒＯ２ との複合酸化物の添加量が１５重量％より多いと、誘電率が７を越えてしまう。ＣａＯとＺｒＯ２ の望ましい範囲は、ＣａＺｒＯ３ 換算で５〜１０重量％である。
【００２４】
また、前記組成物において、フィラーとしてＳｉＯ２ は高熱膨張係数を有するＳｉＯ２ 型結晶、例えばクォーツ、クリストバライト、トリマジンなどを生成し、磁器の熱膨張係数を高める役割を有するが、そのＳｉＯ２ 量が４０重量％を越えると、難焼結性となり、１０００℃以下の焼成温度で緻密化できない。ＳｉＯ２ の望ましい範囲は、０〜２０重量％である。
【００２５】
上記の態様の磁器組成物は、８００〜１０００℃の温度範囲での焼成によって相対密度９７％以上まで緻密化することができ、これによって形成される磁器の全体組成としては、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、ＺｎおよびＳｒの各金属元素の酸化物換算による合量を１００重量％とした時、ＳｉＯ２ を３０〜６０重量％、Ａｌ２ Ｏ３ を１９〜３０重量％、ＭｇＯを５〜１３重量％、ＺｎＯを５〜３５重量％、Ｂ２ Ｏ３ を５〜１２重量％、ＳｒＯ１〜３重量％、ＣａＯ０．１〜１５重量％の割合から構成されることが望ましい。
【００２６】
また、上記磁器は、図１の磁器組織の概略図に示すように、結晶相として、ガラスから析出する少なくともＭｇＯとＡｌ２ Ｏ３ とを含むスピネル型酸化物結晶相（ＳＰ）以外に、ＳｉＯ２ 系結晶相（Ｓｉ）および少なくともＳｒ、Ｃａ、ＡｌおよびＳｉを含む複合酸化物結晶相（ＳＬ）を含有するものである。
【００２７】
少なくともＭｇＯとＡｌ２ Ｏ３ とを含有するスピネル型酸化物結晶相（ＳＰ）としては、ＭｇＡｌ２ Ｏ４ で表されるスピネル結晶相が挙げられ、磁器中には、前記スピネル結晶相あるいは前記スピネル結晶相とＺｎＡｌ２ Ｏ４ で表されるガーナイト結晶相との混相として存在する。
【００２８】
ＳｉＯ２ 結晶相（Ｓｉ）は、クオーツ結晶相からなることが望ましく、また、少なくともＳｒ、Ｃａ、ＡｌおよびＳｉを含む複合酸化物結晶相（ＳＬ）は、単斜晶からなり、特にＳｒ（１−ｘ） Ｃａｘ Ａｌ２ Ｓｉ２ Ｏ８ で表されるスラウソナイト結晶相であることが望ましい。
【００２９】
なお、上記の各結晶相中には、主たる構成金属元素以外に結晶構造を変化させない範囲で、他の金属元素が固溶していてもよい。例えば、前記ＭｇＡｌ２ Ｏ４ には、ＺｎＡｌ２ Ｏ４ が固溶して、（Ｍｇ、Ｚｎ）Ａｌ２ Ｏ４ のスピネル型結晶相からなる場合もある。また、本発明によれば、焼結体組織において、前記結晶相の粒界に、ＳｉＯ２ またはＳｉＯ２ 、Ｂ２ Ｏ３ 、Ａｌ２ Ｏ３ およびＳｒＯを含む非晶質ガラス相（Ｇ）やＺｒＯ２ 相（Ｚ）が存在する場合もある。
【００３０】
上記のような非晶質ガラス相の熱膨張係数は、２〜５ｐｐｍ／℃と低いが、結晶相として、前記ＳｉＯ２ 結晶相、スピネル型結晶相およびＳｒ、Ｃａ、ＡｌおよびＳｉを含む複合酸化物結晶相（例えば、スラウソナイト結晶相）は、室温〜４００℃において、それ自体が高い熱膨張特性を有し、例えば、クオーツ結晶は１３〜２０ｐｐｍ／℃、ガーナイト結晶およびスラウソナイト結晶は７〜８ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有することから、磁器中にこれらの結晶相を析出量を増し、非晶質ガラス相の割合を減ずることにより、磁器の熱膨張係数も大きくなる傾向にある。
【００３１】
熱膨張係数を高める上では、望ましくは、ＳｉＯ２ 系結晶相が最も多いのがよい。なお、ＳｉＯ２ 結晶相としてクオーツの他にクリストバライト、トリジマイトがあるが、クリストバライトは、２００℃付近に熱膨張係数の屈曲点を有することからＳｉＯ２ 系結晶相としてはクォーツ結晶が最も望ましい。
【００３２】
本発明の磁器組成物は、焼成によって得られる磁器が、室温から４００℃における熱膨張係数が５．５ｐｐｍ／℃以上、誘電率が７以下、特に６以下、２０〜３０ＧＨｚでの誘電損失が５０×１０−４以下、特に４０×１０−４以下、さらには３０×１０−４以下、抗折強度２００ＭＰａ以上、特に２２０ＭＰａ以上、さらには２３０ＭＰａ以上の優れた低誘電率、低誘電損失、高熱膨張係数並びに高強度を有するものである。したがって、本発明の磁器組成物は、１ＧＨｚ以上、特に２０ＧＨｚ以上、さらには５０ＧＨｚ以上、またさらには７０ＧＨｚ以上の高周波用配線基板の絶縁層を形成するのに好適な磁器である。
【００３３】
本発明によれば、焼成後の磁器を配線基板の絶縁基板として用いる場合、高周波信号の伝送特性への影響を低減するため、誘電率が７以下、特に６以下と低いことが望ましい。また、磁器の室温から４００℃における熱膨張係数は、実装するチップ部品等やプリント基板等の熱膨張係数に近似するように適宜調整することが望ましい。これは、上記の焼成後の磁器の熱膨張係数が実装されるチップ部品等やプリント基板のそれと差がある場合、半田実装時や半導体素子の作動停止による繰り返し温度サイクルによって、チップ部品等やプリント基板とパッケージとの実装部に熱膨張差に起因する応力が発生し、実装部にクラック等が発生し、実装構造の信頼性を損ねてしまうためである。
【００３４】
具体的には、ＧａＡｓ系のチップ部品との整合を図る上ではＧａＡｓ系のチップ部品との熱膨張係数の差が２ｐｐｍ／℃以下であり、一方、プリント基板との整合を図る上ではプリント基板との熱膨張係数の差が２ｐｐｍ／℃以下であることが望ましい。
【００３５】
さらに、本発明によれば、焼成後の磁器の抗折強度が２００ＭＰａ以上の高強度を有する磁器であるため、この磁器を配線基板の絶縁基板として用いた場合でも、充分実用に耐えうるものである。
【００３６】
次に、本発明における高周波用磁器組成物を用い磁器を製造する方法について説明する。
まず、出発原料として、ＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２ Ｏ３ を含みスピネル型結晶相を析出可能な結晶化ガラス粉末と、フィラー成分としてＳｒＳｉＯ３ などのＳｒＯとＳｉＯ２ との複合酸化物と、ＣａＺｒＯ３ などのＣａＯとＺｒＯ２ との複合酸化物と、ＳｉＯ２ 粉末とを組み合わせて用い、これらを前記の比率で混合する。
【００３７】
そして、上記の組成で秤量混合された混合粉末を用いて所定の成形体を作製し、その成形体を８００〜１０００℃の酸化性雰囲気または不活性雰囲気中で焼成することにより作製することができる。
【００３８】
また、配線層を具備する配線基板を作製するには、前記混合粉末に、適当な有機溶剤、溶媒を用い混合してスラリーを調製し、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法、あるいは圧延法、プレス成形法により、シート状に成形する。そして、このシート状成形体に所望によりスルーホールを形成した後、スルーホール内に、銅、金、銀のうちの少なくとも１種を含む金属ペーストを充填する。そして、シート状成形体表面には、高周波信号が伝送可能な高周波線路パターン等を前記金属ペーストを用いてスクリーン印刷法、グラビア印刷法などによって配線層の厚みが５〜３０μｍとなるように、印刷塗布する。
【００３９】
その後、複数のシート状成形体を位置合わせして積層圧着し、８００〜１０００℃のＮ２ やＮ２ ＋Ｈ２ 等の非酸化性雰囲気で焼成することにより、配線基板を作製することができる。
【００４０】
そして、この配線基板の表面には、適宜半導体素子等のチップ部品が搭載され配線層と信号の伝達が可能なように接続される。接続方法としては、配線層上に直接搭載させて接続させたり、あるいは５０μｍ程度の樹脂、Ａｇ−エポキシ、Ａｇ−ガラス、Ａｕ−Ｓｉ等の樹脂、金属、セラミックス等の接着剤によりチップ部品を絶縁基板表面に固着し、ワイヤーボンディングや、ＴＡＢテープなどにより配線層と半導体素子とを接続する。
【００４１】
なお、この半導体素子としては、Ｓｉ系やＧａＡｓ系等のチップ部品が使用できるが、特に熱膨張係数の近似性の点では、最もＧａＡｓ系のチップ部品の実装に有効である。
【００４２】
さらに、半導体素子が搭載された配線基板表面に、絶縁基板と同種の絶縁材料や、その他の絶縁材料、あるいは放熱性が良好な金属等からなり、電磁波遮蔽性を有するキャップをガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤により接合することにより、半導体素子を気密に封止することができ、これにより高周波用配線基板を作製することができる。
【００４３】
本発明の磁器組成物を好適に使用しうる高周波用配線基板の一例である半導体素子収納用パッケージの具体的な構造とその実装構造について図２をもとに説明する。図２は、半導体収納用パッケージ、特に、接続端子がボール状端子からなるボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）型パッケージの概略断面図である。図２によれば、パッケージＡは、絶縁材料からなる絶縁基板１と蓋体２によりキャビティ３が形成されており、そのキャビティ３内には、ＧａＡｓ等のチップ部品４が前述の接着剤により実装されている。
【００４４】
また、絶縁基板１の表面および内部には、チップ部品４と電気的に接続された配線層５が形成されている。この配線層５は、高周波信号の伝送時に導体損失を極力低減するために、銅、銀あるいは金などの低抵抗金属からなることが望ましい。また、この配線層５に１ＧＨｚ以上の高周波信号を伝送する場合には、高周波信号が損失なく伝送されることが必要となるため、配線層５は周知のストリップ線路、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路、誘電体導波管線路のうちの少なくとも１種から構成される。
【００４５】
また、図２のパッケージＡにおいて、絶縁基板１の底面には、接続用電極層６が被着形成されており、パッケージＡ内の配線層５と接続されている。そして、接続用電極層６には、半田などのロウ材７によりボール状端子８が被着形成されている。
【００４６】
また、上記パッケージＡを外部回路基板に実装するには、図２に示すように、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの有機樹脂を含む絶縁材料からなる絶縁基板９の表面に配線導体１０が形成された外部回路基板Ｂに対して、ロウ材を介して実装される。具体的には、パッケージＡにおける絶縁基板１の底面に取付けられているボール状端子８と、外部回路基板Ｂの配線導体１０とを当接させてＰｂ−Ｓｎなどの半田等のロウ材１１によりロウ付けして実装される。また、ボール状端子８自体を溶融させて配線導体１０と接続させてもよい。
【００４７】
本発明によれば、ＧａＡｓ等のチップ部品４をロウ付けや接着剤により実装したり、このようなボール状端子８を介在したロウ付けによりプリント基板等の外部回路基板に実装されるような表面実装型のパッケージにおいて、ＧａＡｓ等のチップ部品や外部回路基板の絶縁基板との熱膨張差を従来のセラミック材料よりも小さくできることから、かかる実装構造に対して、熱サイクルが印加された場合においても、実装部での応力の発生を抑制することができる結果、実装構造の長期信頼性を高めることができる。
【００４８】
【実施例】
下記の組成からなる２種のスピネル型酸化物結晶相を析出可能な結晶化ガラスを準備した。
【００４９】
ガラスＡ：ＳｉＯ２ ４４重量％−Ａｌ２ Ｏ３ ２９重量％−ＭｇＯ１１重量％−ＺｎＯ７重量％−Ｂ２ Ｏ３ ９重量％
ガラスＢ：ＳｉＯ２ ４４重量％−Ａｌ２ Ｏ３ ２６重量％−ＭｇＯ１９重量％−ＺｎＯ１重量％−Ｂ２ Ｏ３ １０重量％
そして、この結晶化ガラス粉末に対して、平均粒径が１μｍ以下のＳｒＳｉＯ３ 粉末、ＣａＺｒＯ３ 粉末、ＳｉＯ２ （クオーツ）粉末を用いて、表１、表２の組成に従い混合した。
【００５０】
そして、この混合物に有機バインダー、可塑剤、トルエンを添加し、スラリーを調製した後、このスラリーを用いてドクターブレード法により厚さ３００μｍのグリーンシートを作製した。そして、このグリーンシートを５枚積層し、５０℃の温度で１００ｋｇ／ｃｍ２ の圧力を加えて熱圧着した。得られた積層体を水蒸気含有／窒素雰囲気中、７００℃で脱バインダーした後、乾燥窒素中で表１、表２の条件で焼成し絶縁基板用磁器を得た。
【００５１】
得られた磁器について、直径１０ｍｍ、厚み５ｍｍの形状に切り出し、２０〜３０ＧＨｚにてネットワークアナライザー、シンセサイズドスイーパーを用いて誘電体円柱共振器法により誘電率および誘電損失を測定した。測定については、φ５０のＣｕ板治具の間に試料の誘電体基板を挟んで測定した。共振器のＴＥ０１１モードの共振特性より、誘電率、誘電損失を算出した。
【００５２】
また、室温から４００℃における熱膨張曲線をとり、熱膨張係数を算出した。さらに、焼結体中における結晶相をＸ線回折チャートから同定した。さらにまた、ＪＩＳＲ１６０１に従い、磁器の焼き肌面の室温における３点曲げ強度を測定した。結果は表１、表２に示した。
【００５３】
また、一部の試料については、フィラー成分として、ＳｒＳｉＯ３ 、ＳｉＯ２ 、ＣａＺｒＯ３ に代わり、Ａｌ２ Ｏ３ 粉末、コージェライト粉末を用いて同様に磁器を作製し評価した（試料Ｎｏ．９、１０、２５、２６）。また、上記結晶化ガラスＡ、Ｂに代わり、以下の組成からなるガラスＣ、ＤおよびガラスＥを用いて同様に評価を行った（試料Ｎｏ．２７〜３１）。
【００５４】
ガラスＣ：ＳｉＯ２ １０．４重量％−Ａｌ２ Ｏ３ ２．５重量％ −Ｂ２ Ｏ３ ４５．３重量％−ＣａＯ３５．２重量％ −Ｎａ２ Ｏ６．６重量％
ガラスＤ：ＳｉＯ２ １４重量％−Ａｌ２ Ｏ３ ２４．７重量％ −Ｂ２ Ｏ３ ２２．６重量％−ＢａＯ１４．２重量％ −Ｌｉ２ Ｏ１２．８重量％−Ｎａ２ Ｏ１１．７重量％
ガラスＥ：ＳｉＯ２ ３１重量％−Ａｌ２ Ｏ３ ５重量％ −Ｂ２ Ｏ３ ３５重量％−ＢａＯ２５重量％ −ＭｇＯ４重量％
【００５５】
【表１】
【００５６】
【表２】
【００５７】
表１、２の結果から明らかなように、本発明の組成物を用いて作製した磁器は、いずれも熱膨張係数が５．５ｐｐｍ／℃以上、２０〜３０ＧＨｚの測定周波数にて、誘電率７以下、誘電損失が５０×１０−４以下、抗折強度２００ＭＰａ以上の優れた特性を有するものであった。
【００５８】
これに対して、ＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２ Ｏ３ を含むガラス量が、９５重量％を越える試料Ｎｏ．１では、溶融してしまい、また試料Ｎｏ．２では、誘電損失が５０×１０−４を越えてしまい、ガラス量が５０重量％よりも少ない試料Ｎｏ．１４および１５では、低温で焼結することが困難であり、緻密化しなかった。また、ＳｒＳｉＯ３ 量が０．１重量％より少ない試料Ｎｏ．８では、熱膨張係数５．５ｐｐｍ／℃以上が達成されず、また、封止試験において磁器へのＨｅの吸着により正しい評価が不可能となり、配線基板の信頼性が判定できなかった。
【００５９】
試料Ｎｏ．９、１０、２５、２６は、ガラスへの添加成分としてＡｌ２ Ｏ３ やコージェライトを配合したものであるが、焼結体中にコージェライトやＡｌ２ Ｏ３ などの結晶が多く析出して熱膨張係数が低いものであった。
【００６０】
また、ガラスとして、ＭｇＯやＺｎＯを含まないガラスＣ、Ｄを用いた試料Ｎｏ．２７〜３０では、スピネル型結晶相が析出せず、誘電損失が大きくなる傾向にあった。
【００６１】
さらに、Ｂ２ Ｏ３ の含有量が多いガラスＥとＣａＳｉＯ３ とＡｌ２ Ｏ３ を組み合わせた試料Ｎｏ．３１では、Ｂ２ Ｏ３ を含む非晶質ガラス量が多く、また、クォーツが析出しないため、高周波帯での誘電損失が大きくなった。
【００６２】
さらにまた、ＣａＺｒＯ３ 量が０．１重量％より少ない試料Ｎｏ．１８、１９では、抗折強度が２００ＭＰａよりも低くなり、またＣａＺｒＯ３ 量が１５重量％より多い試料Ｎｏ．２０では、誘電率が７を越えた。
【００６３】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の高周波用磁器組成物によれば、１０００℃以下の低温で焼成できることから、銅などの低抵抗金属による配線層を形成でき、しかも１ＧＨｚ以上の高周波領域において、低誘電率、低誘電損失を有することから、高周波信号を極めて良好に損失なく伝送することができる。しかも、実用に適する高強度を有し、さらに、この組成物を用いて得られる磁器は、ＧａＡｓチップあるいはプリント基板と近似した熱膨張特性に制御できることから、ＧａＡｓチップを実装した場合、あるいは有機樹脂を含む絶縁基板を具備するプリント基板などのマザーボードに対してロウ材等により実装した場合において優れた耐熱サイクル性を有し、高信頼性の実装構造を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の組成物を焼成して得られる磁器の組織を説明するための概略図である。
【図２】本発明の組成物を焼成した磁器を用いた高周波用配線基板の一例である半導体素子収納用パッケージの実装構造の一例を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
Ｓｉ ＳｉＯ２ 結晶相
ＳＰ スピネル型酸化物結晶相
ＳＬ Ｓｒ、Ｃａ、ＡｌおよびＳｉ含有複合酸化物結晶相
Ｇ 非晶質（ガラス）相
Ｚ ＺｒＯ２ 相
Ａ 半導体素子収納用パッケージ
Ｂ 外部回路基板
１ 絶縁基板
２ 蓋体
３ キャビティ
４ チップ部品
５ 配線層
６ 接続用電極層
７ ロウ材
８ ボール状端子
９ 絶縁基板
１０ 配線導体
１１ ロウ材
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子収納用パッケージや多層配線基板等に適用される配線基板に関するものであり、特に、銅や銀と同時焼成が可能であり、また、ＧａＡｓ等のチップ部品やプリント基板などの有機樹脂からなる外部回路基板に対し、高い信頼性をもって実装可能であり、配線基板における絶縁基板として用いられる高周波用磁器組成物および高周波用磁器の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来より、セラミック多層配線基板としては、アルミナ質焼結体からなる絶縁基板の表面または内部にタングステンやモリブデンなどの高融点金属からなる配線層が形成されたものが最も普及している。
【０００３】
また、最近に至り、高度情報化時代を迎え、使用される周波数帯域はますます高周波化に移行しつつある。このような、高周波の信号の伝送を必要とする高周波配線基板においては、高周波信号を損失なく伝送する上で、配線層を形成する導体の抵抗が小さいこと、また絶縁基板の高周波領域での誘電損失が小さいことが要求される。
【０００４】
ところが、従来のタングステン（Ｗ）や、モリブデン（Ｍｏ）などの高融点金属は導体抵抗が大きく、信号の伝搬速度が遅く、また、１ＧＨｚ以上の高周波領域の信号伝搬も困難であることから、Ｗ、Ｍｏなどの金属に代えて銅、銀、金などの低抵抗金属を使用することが必要となっている。
【０００５】
このような低抵抗金属からなる配線層は、融点が低く、アルミナと同時焼成することが不可能であるため、最近では、ガラス、またはガラスとセラミックスとの複合材料からなる、いわゆるガラスセラミックスを絶縁基板として用いた配線基板が開発されつつある。例えば、特公平４−１２６３９号のように、ガラスにＳｉＯ２ 系フィラーを添加し、銅、銀、金などの低抵抗金属からなる配線層と９００〜１０００℃の温度で同時焼成した多層配線基板や、特開昭６０−２４０１３５号のように、ホウケイ酸亜鉛系ガラスに、Ａｌ２ Ｏ３ 、ジルコニア、ムライトなどのフィラーを添加したものを低抵抗金属と同時焼成したものなどが提案されている。その他、特開平５−２９８９１９号には、ムライトやコージェライトを結晶相として析出させたガラスセラミック材料も提案されている。
【０００６】
また、多層配線基板や半導体素子収納用パッケージなどの配線基板にＧａＡｓなどのチップ部品を実装したり、また配線基板をマサーボードなどの有機樹脂を含むプリント基板に実装する上で、絶縁基板とチップ部品あるいはプリント基板との熱膨張差に起因して発生する応力により実装部分が剥離したり、クラックなどが発生するのを防止する観点から、絶縁基板の熱膨張係数がチップ部品やプリント基板のそれと近似していることが望まれる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のガラスセラミックスは、銅、銀、金などの低抵抗金属との同時焼成が可能であっても、熱膨張係数が３〜５ｐｐｍ／℃程度と低く、ＧａＡｓ等のチップ部品（熱膨張係数６〜７．５ｐｐｍ／℃）を実装したり、プリント基板（熱膨張係数１２〜１５ｐｐｍ／℃）に実装する場合に、実装の信頼性が低く実用上満足できるものではなかった。
【０００８】
また、従来のガラスセラミックスは、マイクロ波やミリ波などの高周波信号を用いる配線基板の絶縁基板として具体的に検討されておらず、そのほとんどが誘電損失が高く、十分満足できる高周波特性を有するものではなかった。
【０００９】
さらに、従来のガラスセラミックスの強度は、せいぜい１８０ＭＰａ程度で機械的な強度が低いという問題があり、高周波特性と高強度とを同時に満足するものはなかった。
【００１０】
従って、本発明は、金、銀、銅を配線導体として多層化が可能な８００〜１０００℃での焼成が可能であるとともに、ＧａＡｓ等のチップ部品やプリント基板の熱膨張係数と近似した熱膨張係数を有し、高周波領域においても低誘電率を維持しつつ誘電損失が低く、かつ高い強度を有する磁器を作製可能な高周波用磁器組成物および高周波用磁器の製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を鋭意検討した結果、ＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯおよびＢ２ Ｏ３ を含むスピネル型酸化物結晶相を析出可能なガラス粉末に対して、ＳｒＯとＳｉＯ２ との複合酸化物、ＣａＯとＺｒＯ２ との複合酸化物、さらにはＳｉＯ２ を特定の比率で配合した組成物を用い、これを成形後、８００〜１０００℃の温度で焼成することによって、低誘電率を維持しつつ、ＧａＡｓ等のチップ部品やプリント基板の熱膨張係数と近似した熱膨張係数を有し、高周波領域においても低誘電損失で、かつ高い強度を有する磁器が得られることを知見し、本発明に至った。
【００１２】
即ち、本発明の高周波用磁器組成物は、ＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯおよびＢ２ Ｏ３ を含むスピネル型酸化物結晶相を析出可能なガラス粉末５０〜９５重量％と、ＳｒＯとＳｉＯ２ との複合酸化物０．１〜５０重量％と、ＣａＯとＺｒＯ２ との複合酸化物０．１〜１５重量％と、ＳｉＯ２ ０〜４０重量％とからなることを特徴とするものである。
【００１３】
また、前記ガラス粉末は、ＳｉＯ２ ４０〜５２重量％、Ａｌ２ Ｏ３ １４〜３２重量％、ＭｇＯ５〜２４重量％、ＺｎＯ１〜１６重量％、Ｂ２ Ｏ３ ５〜１５重量％の割合であることが望ましい。
【００１４】
また、上記高周波用磁器組成物を成形し、８００〜１０００℃で焼成して得られる磁器としては、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、ＺｎおよびＳｒ構成元素として含むとともに、結晶相として、ＳｉＯ２ 結晶相と、少なくともＭｇ、Ａｌを含むスピネル型酸化物結晶相と、少なくともＳｒ、Ｃａ、ＡｌおよびＳｉを含む複合酸化物結晶相とを含有し、かつ室温から４００℃における熱膨張係数が５．５ｐｐｍ／℃以上、誘電率が７以下、２０〜３０ＧＨｚでの誘電損失が５０×１０−４以下であることを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の高周波用磁器組成物は、ＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯおよびＢ２ Ｏ３ を含むスピネル型酸化物結晶相を析出可能なガラス粉末５０〜９５重量％と、ＳｒＯとＳｉＯ２ との複合酸化物０．１〜５０重量％と、ＣａＯとＺｒＯ２ との複合酸化物０．１〜１５重量％と、ＳｉＯ２ ０〜４０重量％とからなるものである。
【００１６】
各成分組成を上記の範囲に限定したのは、上記ガラス粉末が５０重量％よりも少ないと、１０００℃以下の温度での焼成が不可能であり、９５重量％よりも多いと、焼成温度でガラスが溶融してしまい、焼結体を作製することができなくなるためである。ガラス粉末の特に望ましい範囲は、６０〜８５重量％である。
【００１７】
ここで、前記ガラス粉末は、スピネル型酸化物結晶相を析出可能であり、また、ガラスの軟化点が５００〜８００℃であることが望ましく、その組成はＳｉＯ２ ４０〜５２重量％、Ａｌ２ Ｏ３ １４〜３２重量％、ＭｇＯ５〜２４重量％、ＺｎＯ１〜１６重量％、Ｂ２ Ｏ３ ５〜１５重量％の割合であることが望ましい。上記組成のガラス粉末よりスピネル型酸化物結晶相を析出させることにより、磁器の低誘電率化、高熱膨張率化を図ることができる。
【００１８】
また、かかるスピネル型酸化物結晶相の析出による効果を発揮させる上では、ガラス中におけるＺｎＯ＋ＭｇＯが６〜３０重量％であることが望ましい。なお、かかるガラスから析出するスピネル型酸化物結晶相は、ＭｇＡｌ２ Ｏ４ やＺｎＡｌ２ Ｏ４ および両者が固溶した（Ｚｎ，Ｍｇ）Ａｌ２ Ｏ４ からなる。
【００１９】
ガラス粉末に対して、フィラー成分として添加するＳｒＯとＳｉＯ２ は、ＳｒＳｉＯ３ の形態の複合酸化物として添加することが最も望ましく、このＳｒＯおよびＳｉＯ２ の添加により、かかる系の焼結性を大幅に向上させることができ、低温焼成化とともに、焼結体中のボイドの低減を図ることができる。
【００２０】
このため、本発明の磁器組成物を焼成した磁器を蓋体により気密に封止されるパッケージ構造を有する配線基板の絶縁基板として用いる場合、Ｈｅガスによる気密性評価の際に、磁器中へのＨｅガスの吸着がないため、評価の感度が向上する。
【００２１】
また、一般に、Ａｌ２ Ｏ３ やＳｉＯ２ を含むガラス相の熱膨張係数は４〜５ｐｐｍ／℃と低い。しかし、ＳｒＯ、ＣａＯとガラス中のＡｌ２ Ｏ３ やＳｉＯ２ との反応を進行させて、スラウソナイト等の複合酸化物を析出させると、このスラウソナイトが約７ｐｐｍ／℃の高熱膨張特性を有することから、磁器全体の熱膨張係数をＳｒＯを添加しない場合に比較して０．５〜２ｐｐｍ／℃程度高めることができる。なお、フィラー中の残余のＳｉＯ２ （熱膨張係数１３〜２０ｐｐｍ／℃）も磁器中クォーツとして析出し、熱膨張係数を高くする役割をなす。
【００２２】
従って、ＳｒＯおよびＳｉＯ２ の添加量が０．１重量％よりも少ないと、焼結性の向上効果およびボイドの低減効果が小さく、また、Ｓｒ、Ａｌ、Ｓｉ含有複合酸化物結晶が生成されず、５０重量％よりも多いとガラスに対するＳｉＯ２ （クォーツ）の比率が過剰となるため、焼結性が阻害される。ＳｒＯとＳｉＯ２ の望ましい範囲は、ＳｒＳｉＯ３ 換算で５〜２５重量％である。
【００２３】
また、ガラス粉末に対して、フィラー成分として添加するＣａＯとＺｒＯ２ は、ＣａＺｒＯ３ の形態の複合酸化物として添加することが最も望ましく、このＣａＯおよびＺｒＯ２ の添加により、磁器中に微粒のＺｒＯ２ 粒子を均一に析出、分散させることができ、その結果、磁器の強度を大幅に向上させることができる。また、ＣａＯとＺｒＯ２ との複合酸化物の添加量が０．１重量％より少ないと、強度向上の効果が発揮されず、また、ＣａＯとＺｒＯ２ との複合酸化物の添加量が１５重量％より多いと、誘電率が７を越えてしまう。ＣａＯとＺｒＯ２ の望ましい範囲は、ＣａＺｒＯ３ 換算で５〜１０重量％である。
【００２４】
また、前記組成物において、フィラーとしてＳｉＯ２ は高熱膨張係数を有するＳｉＯ２ 型結晶、例えばクォーツ、クリストバライト、トリマジンなどを生成し、磁器の熱膨張係数を高める役割を有するが、そのＳｉＯ２ 量が４０重量％を越えると、難焼結性となり、１０００℃以下の焼成温度で緻密化できない。ＳｉＯ２ の望ましい範囲は、０〜２０重量％である。
【００２５】
上記の態様の磁器組成物は、８００〜１０００℃の温度範囲での焼成によって相対密度９７％以上まで緻密化することができ、これによって形成される磁器の全体組成としては、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、ＺｎおよびＳｒの各金属元素の酸化物換算による合量を１００重量％とした時、ＳｉＯ２ を３０〜６０重量％、Ａｌ２ Ｏ３ を１９〜３０重量％、ＭｇＯを５〜１３重量％、ＺｎＯを５〜３５重量％、Ｂ２ Ｏ３ を５〜１２重量％、ＳｒＯ１〜３重量％、ＣａＯ０．１〜１５重量％の割合から構成されることが望ましい。
【００２６】
また、上記磁器は、図１の磁器組織の概略図に示すように、結晶相として、ガラスから析出する少なくともＭｇＯとＡｌ２ Ｏ３ とを含むスピネル型酸化物結晶相（ＳＰ）以外に、ＳｉＯ２ 系結晶相（Ｓｉ）および少なくともＳｒ、Ｃａ、ＡｌおよびＳｉを含む複合酸化物結晶相（ＳＬ）を含有するものである。
【００２７】
少なくともＭｇＯとＡｌ２ Ｏ３ とを含有するスピネル型酸化物結晶相（ＳＰ）としては、ＭｇＡｌ２ Ｏ４ で表されるスピネル結晶相が挙げられ、磁器中には、前記スピネル結晶相あるいは前記スピネル結晶相とＺｎＡｌ２ Ｏ４ で表されるガーナイト結晶相との混相として存在する。
【００２８】
ＳｉＯ２ 結晶相（Ｓｉ）は、クオーツ結晶相からなることが望ましく、また、少なくともＳｒ、Ｃａ、ＡｌおよびＳｉを含む複合酸化物結晶相（ＳＬ）は、単斜晶からなり、特にＳｒ（１−ｘ） Ｃａｘ Ａｌ２ Ｓｉ２ Ｏ８ で表されるスラウソナイト結晶相であることが望ましい。
【００２９】
なお、上記の各結晶相中には、主たる構成金属元素以外に結晶構造を変化させない範囲で、他の金属元素が固溶していてもよい。例えば、前記ＭｇＡｌ２ Ｏ４ には、ＺｎＡｌ２ Ｏ４ が固溶して、（Ｍｇ、Ｚｎ）Ａｌ２ Ｏ４ のスピネル型結晶相からなる場合もある。また、本発明によれば、焼結体組織において、前記結晶相の粒界に、ＳｉＯ２ またはＳｉＯ２ 、Ｂ２ Ｏ３ 、Ａｌ２ Ｏ３ およびＳｒＯを含む非晶質ガラス相（Ｇ）やＺｒＯ２ 相（Ｚ）が存在する場合もある。
【００３０】
上記のような非晶質ガラス相の熱膨張係数は、２〜５ｐｐｍ／℃と低いが、結晶相として、前記ＳｉＯ２ 結晶相、スピネル型結晶相およびＳｒ、Ｃａ、ＡｌおよびＳｉを含む複合酸化物結晶相（例えば、スラウソナイト結晶相）は、室温〜４００℃において、それ自体が高い熱膨張特性を有し、例えば、クオーツ結晶は１３〜２０ｐｐｍ／℃、ガーナイト結晶およびスラウソナイト結晶は７〜８ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有することから、磁器中にこれらの結晶相を析出量を増し、非晶質ガラス相の割合を減ずることにより、磁器の熱膨張係数も大きくなる傾向にある。
【００３１】
熱膨張係数を高める上では、望ましくは、ＳｉＯ２ 系結晶相が最も多いのがよい。なお、ＳｉＯ２ 結晶相としてクオーツの他にクリストバライト、トリジマイトがあるが、クリストバライトは、２００℃付近に熱膨張係数の屈曲点を有することからＳｉＯ２ 系結晶相としてはクォーツ結晶が最も望ましい。
【００３２】
本発明の磁器組成物は、焼成によって得られる磁器が、室温から４００℃における熱膨張係数が５．５ｐｐｍ／℃以上、誘電率が７以下、特に６以下、２０〜３０ＧＨｚでの誘電損失が５０×１０−４以下、特に４０×１０−４以下、さらには３０×１０−４以下、抗折強度２００ＭＰａ以上、特に２２０ＭＰａ以上、さらには２３０ＭＰａ以上の優れた低誘電率、低誘電損失、高熱膨張係数並びに高強度を有するものである。したがって、本発明の磁器組成物は、１ＧＨｚ以上、特に２０ＧＨｚ以上、さらには５０ＧＨｚ以上、またさらには７０ＧＨｚ以上の高周波用配線基板の絶縁層を形成するのに好適な磁器である。
【００３３】
本発明によれば、焼成後の磁器を配線基板の絶縁基板として用いる場合、高周波信号の伝送特性への影響を低減するため、誘電率が７以下、特に６以下と低いことが望ましい。また、磁器の室温から４００℃における熱膨張係数は、実装するチップ部品等やプリント基板等の熱膨張係数に近似するように適宜調整することが望ましい。これは、上記の焼成後の磁器の熱膨張係数が実装されるチップ部品等やプリント基板のそれと差がある場合、半田実装時や半導体素子の作動停止による繰り返し温度サイクルによって、チップ部品等やプリント基板とパッケージとの実装部に熱膨張差に起因する応力が発生し、実装部にクラック等が発生し、実装構造の信頼性を損ねてしまうためである。
【００３４】
具体的には、ＧａＡｓ系のチップ部品との整合を図る上ではＧａＡｓ系のチップ部品との熱膨張係数の差が２ｐｐｍ／℃以下であり、一方、プリント基板との整合を図る上ではプリント基板との熱膨張係数の差が２ｐｐｍ／℃以下であることが望ましい。
【００３５】
さらに、本発明によれば、焼成後の磁器の抗折強度が２００ＭＰａ以上の高強度を有する磁器であるため、この磁器を配線基板の絶縁基板として用いた場合でも、充分実用に耐えうるものである。
【００３６】
次に、本発明における高周波用磁器組成物を用い磁器を製造する方法について説明する。
まず、出発原料として、ＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２ Ｏ３ を含みスピネル型結晶相を析出可能な結晶化ガラス粉末と、フィラー成分としてＳｒＳｉＯ３ などのＳｒＯとＳｉＯ２ との複合酸化物と、ＣａＺｒＯ３ などのＣａＯとＺｒＯ２ との複合酸化物と、ＳｉＯ２ 粉末とを組み合わせて用い、これらを前記の比率で混合する。
【００３７】
そして、上記の組成で秤量混合された混合粉末を用いて所定の成形体を作製し、その成形体を８００〜１０００℃の酸化性雰囲気または不活性雰囲気中で焼成することにより作製することができる。
【００３８】
また、配線層を具備する配線基板を作製するには、前記混合粉末に、適当な有機溶剤、溶媒を用い混合してスラリーを調製し、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法、あるいは圧延法、プレス成形法により、シート状に成形する。そして、このシート状成形体に所望によりスルーホールを形成した後、スルーホール内に、銅、金、銀のうちの少なくとも１種を含む金属ペーストを充填する。そして、シート状成形体表面には、高周波信号が伝送可能な高周波線路パターン等を前記金属ペーストを用いてスクリーン印刷法、グラビア印刷法などによって配線層の厚みが５〜３０μｍとなるように、印刷塗布する。
【００３９】
その後、複数のシート状成形体を位置合わせして積層圧着し、８００〜１０００℃のＮ２ やＮ２ ＋Ｈ２ 等の非酸化性雰囲気で焼成することにより、配線基板を作製することができる。
【００４０】
そして、この配線基板の表面には、適宜半導体素子等のチップ部品が搭載され配線層と信号の伝達が可能なように接続される。接続方法としては、配線層上に直接搭載させて接続させたり、あるいは５０μｍ程度の樹脂、Ａｇ−エポキシ、Ａｇ−ガラス、Ａｕ−Ｓｉ等の樹脂、金属、セラミックス等の接着剤によりチップ部品を絶縁基板表面に固着し、ワイヤーボンディングや、ＴＡＢテープなどにより配線層と半導体素子とを接続する。
【００４１】
なお、この半導体素子としては、Ｓｉ系やＧａＡｓ系等のチップ部品が使用できるが、特に熱膨張係数の近似性の点では、最もＧａＡｓ系のチップ部品の実装に有効である。
【００４２】
さらに、半導体素子が搭載された配線基板表面に、絶縁基板と同種の絶縁材料や、その他の絶縁材料、あるいは放熱性が良好な金属等からなり、電磁波遮蔽性を有するキャップをガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤により接合することにより、半導体素子を気密に封止することができ、これにより高周波用配線基板を作製することができる。
【００４３】
本発明の磁器組成物を好適に使用しうる高周波用配線基板の一例である半導体素子収納用パッケージの具体的な構造とその実装構造について図２をもとに説明する。図２は、半導体収納用パッケージ、特に、接続端子がボール状端子からなるボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）型パッケージの概略断面図である。図２によれば、パッケージＡは、絶縁材料からなる絶縁基板１と蓋体２によりキャビティ３が形成されており、そのキャビティ３内には、ＧａＡｓ等のチップ部品４が前述の接着剤により実装されている。
【００４４】
また、絶縁基板１の表面および内部には、チップ部品４と電気的に接続された配線層５が形成されている。この配線層５は、高周波信号の伝送時に導体損失を極力低減するために、銅、銀あるいは金などの低抵抗金属からなることが望ましい。また、この配線層５に１ＧＨｚ以上の高周波信号を伝送する場合には、高周波信号が損失なく伝送されることが必要となるため、配線層５は周知のストリップ線路、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路、誘電体導波管線路のうちの少なくとも１種から構成される。
【００４５】
また、図２のパッケージＡにおいて、絶縁基板１の底面には、接続用電極層６が被着形成されており、パッケージＡ内の配線層５と接続されている。そして、接続用電極層６には、半田などのロウ材７によりボール状端子８が被着形成されている。
【００４６】
また、上記パッケージＡを外部回路基板に実装するには、図２に示すように、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの有機樹脂を含む絶縁材料からなる絶縁基板９の表面に配線導体１０が形成された外部回路基板Ｂに対して、ロウ材を介して実装される。具体的には、パッケージＡにおける絶縁基板１の底面に取付けられているボール状端子８と、外部回路基板Ｂの配線導体１０とを当接させてＰｂ−Ｓｎなどの半田等のロウ材１１によりロウ付けして実装される。また、ボール状端子８自体を溶融させて配線導体１０と接続させてもよい。
【００４７】
本発明によれば、ＧａＡｓ等のチップ部品４をロウ付けや接着剤により実装したり、このようなボール状端子８を介在したロウ付けによりプリント基板等の外部回路基板に実装されるような表面実装型のパッケージにおいて、ＧａＡｓ等のチップ部品や外部回路基板の絶縁基板との熱膨張差を従来のセラミック材料よりも小さくできることから、かかる実装構造に対して、熱サイクルが印加された場合においても、実装部での応力の発生を抑制することができる結果、実装構造の長期信頼性を高めることができる。
【００４８】
【実施例】
下記の組成からなる２種のスピネル型酸化物結晶相を析出可能な結晶化ガラスを準備した。
【００４９】
ガラスＡ：ＳｉＯ２ ４４重量％−Ａｌ２ Ｏ３ ２９重量％−ＭｇＯ１１重量％−ＺｎＯ７重量％−Ｂ２ Ｏ３ ９重量％
ガラスＢ：ＳｉＯ２ ４４重量％−Ａｌ２ Ｏ３ ２６重量％−ＭｇＯ１９重量％−ＺｎＯ１重量％−Ｂ２ Ｏ３ １０重量％
そして、この結晶化ガラス粉末に対して、平均粒径が１μｍ以下のＳｒＳｉＯ３ 粉末、ＣａＺｒＯ３ 粉末、ＳｉＯ２ （クオーツ）粉末を用いて、表１、表２の組成に従い混合した。
【００５０】
そして、この混合物に有機バインダー、可塑剤、トルエンを添加し、スラリーを調製した後、このスラリーを用いてドクターブレード法により厚さ３００μｍのグリーンシートを作製した。そして、このグリーンシートを５枚積層し、５０℃の温度で１００ｋｇ／ｃｍ２ の圧力を加えて熱圧着した。得られた積層体を水蒸気含有／窒素雰囲気中、７００℃で脱バインダーした後、乾燥窒素中で表１、表２の条件で焼成し絶縁基板用磁器を得た。
【００５１】
得られた磁器について、直径１０ｍｍ、厚み５ｍｍの形状に切り出し、２０〜３０ＧＨｚにてネットワークアナライザー、シンセサイズドスイーパーを用いて誘電体円柱共振器法により誘電率および誘電損失を測定した。測定については、φ５０のＣｕ板治具の間に試料の誘電体基板を挟んで測定した。共振器のＴＥ０１１モードの共振特性より、誘電率、誘電損失を算出した。
【００５２】
また、室温から４００℃における熱膨張曲線をとり、熱膨張係数を算出した。さらに、焼結体中における結晶相をＸ線回折チャートから同定した。さらにまた、ＪＩＳＲ１６０１に従い、磁器の焼き肌面の室温における３点曲げ強度を測定した。結果は表１、表２に示した。
【００５３】
また、一部の試料については、フィラー成分として、ＳｒＳｉＯ３ 、ＳｉＯ２ 、ＣａＺｒＯ３ に代わり、Ａｌ２ Ｏ３ 粉末、コージェライト粉末を用いて同様に磁器を作製し評価した（試料Ｎｏ．９、１０、２５、２６）。また、上記結晶化ガラスＡ、Ｂに代わり、以下の組成からなるガラスＣ、ＤおよびガラスＥを用いて同様に評価を行った（試料Ｎｏ．２７〜３１）。
【００５４】
ガラスＣ：ＳｉＯ２ １０．４重量％−Ａｌ２ Ｏ３ ２．５重量％ −Ｂ２ Ｏ３ ４５．３重量％−ＣａＯ３５．２重量％ −Ｎａ２ Ｏ６．６重量％
ガラスＤ：ＳｉＯ２ １４重量％−Ａｌ２ Ｏ３ ２４．７重量％ −Ｂ２ Ｏ３ ２２．６重量％−ＢａＯ１４．２重量％ −Ｌｉ２ Ｏ１２．８重量％−Ｎａ２ Ｏ１１．７重量％
ガラスＥ：ＳｉＯ２ ３１重量％−Ａｌ２ Ｏ３ ５重量％ −Ｂ２ Ｏ３ ３５重量％−ＢａＯ２５重量％ −ＭｇＯ４重量％
【００５５】
【表１】
【表２】
表１、２の結果から明らかなように、本発明の組成物を用いて作製した磁器は、いずれも熱膨張係数が５．５ｐｐｍ／℃以上、２０〜３０ＧＨｚの測定周波数にて、誘電率７以下、誘電損失が５０×１０−４以下、抗折強度２００ＭＰａ以上の優れた特性を有するものであった。
【００５８】
これに対して、ＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２ Ｏ３ を含むガラス量が、９５重量％を越える試料Ｎｏ．１では、溶融してしまい、また試料Ｎｏ．２では、誘電損失が５０×１０−４を越えてしまい、ガラス量が５０重量％よりも少ない試料Ｎｏ．１４および１５では、低温で焼結することが困難であり、緻密化しなかった。また、ＳｒＳｉＯ３ 量が０．１重量％より少ない試料Ｎｏ．８では、熱膨張係数５．５ｐｐｍ／℃以上が達成されず、また、封止試験において磁器へのＨｅの吸着により正しい評価が不可能となり、配線基板の信頼性が判定できなかった。
【００５９】
試料Ｎｏ．９、１０、２５、２６は、ガラスへの添加成分としてＡｌ２ Ｏ３ やコージェライトを配合したものであるが、焼結体中にコージェライトやＡｌ２ Ｏ３ などの結晶が多く析出して熱膨張係数が低いものであった。
【００６０】
また、ガラスとして、ＭｇＯやＺｎＯを含まないガラスＣ、Ｄを用いた試料Ｎｏ．２７〜３０では、スピネル型結晶相が析出せず、誘電損失が大きくなる傾向にあった。
【００６１】
さらに、Ｂ２ Ｏ３ の含有量が多いガラスＥとＣａＳｉＯ３ とＡｌ２ Ｏ３ を組み合わせた試料Ｎｏ．３１では、Ｂ２ Ｏ３ を含む非晶質ガラス量が多く、また、クォーツが析出しないため、高周波帯での誘電損失が大きくなった。
【００６２】
さらにまた、ＣａＺｒＯ３ 量が０．１重量％より少ない試料Ｎｏ．１８、１９では、抗折強度が２００ＭＰａよりも低くなり、またＣａＺｒＯ３ 量が１５重量％より多い試料Ｎｏ．２０では、誘電率が７を越えた。
【００６３】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の高周波用磁器組成物によれば、１０００℃以下の低温で焼成できることから、銅などの低抵抗金属による配線層を形成でき、しかも１ＧＨｚ以上の高周波領域において、低誘電率、低誘電損失を有することから、高周波信号を極めて良好に損失なく伝送することができる。しかも、実用に適する高強度を有し、さらに、この組成物を用いて得られる磁器は、ＧａＡｓチップあるいはプリント基板と近似した熱膨張特性に制御できることから、ＧａＡｓチップを実装した場合、あるいは有機樹脂を含む絶縁基板を具備するプリント基板などのマザーボードに対してロウ材等により実装した場合において優れた耐熱サイクル性を有し、高信頼性の実装構造を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の組成物を焼成して得られる磁器の組織を説明するための概略図である。
【図２】本発明の組成物を焼成した磁器を用いた高周波用配線基板の一例である半導体素子収納用パッケージの実装構造の一例を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
Ｓｉ ＳｉＯ２ 結晶相
ＳＰ スピネル型酸化物結晶相
ＳＬ Ｓｒ、Ｃａ、ＡｌおよびＳｉ含有複合酸化物結晶相
Ｇ 非晶質（ガラス）相
Ｚ ＺｒＯ２ 相
Ａ 半導体素子収納用パッケージ
Ｂ 外部回路基板
１ 絶縁基板
２ 蓋体
３ キャビティ
４ チップ部品
５ 配線層
６ 接続用電極層
７ ロウ材
８ ボール状端子
９ 絶縁基板
１０ 配線導体
１１ ロウ材
Claims (4)
- ＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯおよびＢ２ Ｏ３ を含むスピネル型酸化物結晶相を析出可能なガラス粉末５０〜９５重量％と、ＳｒＯとＳｉＯ２ との複合酸化物０．１〜５０重量％と、ＣａＯとＺｒＯ２ との複合酸化物０．１〜１５重量％と、ＳｉＯ２ ０〜４０重量％とからなることを特徴とする高周波用磁器組成物。
- 前記ガラス粉末が、ＳｉＯ２ ４０〜５２重量％と、Ａｌ２ Ｏ３ １４〜３２重量％と、ＭｇＯ５〜２４重量％と、ＺｎＯ１〜１６重量％と、Ｂ２ Ｏ３ ５〜１５重量％とからなることを特徴とする請求項１記載の高周波用磁器組成物。
- 焼成後の磁器が、結晶相として、ＳｉＯ２ 結晶相と、少なくともＭｇ、Ａｌを含むスピネル型酸化物結晶相と、少なくともＳｒ、Ｃａ、ＡｌおよびＳｉを含む複合酸化物結晶相とを含有し、且つ室温から４００℃における熱膨張係数が５．５ｐｐｍ／℃以上、誘電率が７以下、２０〜３０ＧＨｚでの誘電損失が５０×１０−４以下であることを特徴とする請求項１記載の高周波用磁器組成物。
- ＳｉＯ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＭｇＯ、ＺｎＯおよびＢ２ Ｏ３ を含むスピネル型酸化物結晶相を析出可能なガラス粉末５０〜９５重量％と、ＳｒＯとＳｉＯ２ との複合酸化物０．１〜５０重量％と、ＣａＯとＺｒＯ２ との複合酸化物０．１〜１５重量％と、ＳｉＯ２ ０〜４０重量％とからなる混合物を成形後、８００〜１０００℃の温度で焼成してなることを特徴とする高周波用磁器の製造方法。
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